基于ANSYS軟件的某殘煤自燃采坑邊坡的穩(wěn)定分析

張劍

摘 要：通過有限元軟件ANSYS，對某露天礦殘煤自燃采坑邊坡進(jìn)行模型簡化，并進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過數(shù)值分析得出殘煤自燃的溫度場云圖，進(jìn)而得出殘煤自燃采坑邊坡的X及Y方向位移云圖；所得結(jié)果對進(jìn)一步研究殘煤自燃采坑邊坡的穩(wěn)定性具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：ANSYS；數(shù)值模擬；殘煤自燃；位移云圖

中圖分類號：TD32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）07-0122-01

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對煤炭需求量也隨之增加，露天煤礦的開采數(shù)量、深度也隨之增加。在煤層開采過程中，我國大約有50%的礦井存在自燃發(fā)火危險(xiǎn)，每年由于自燃造成直接或間接經(jīng)濟(jì)損失近百億元。尤其是到20世紀(jì)80年代末以來，自燃火災(zāi)已成為制約煤礦高產(chǎn)高效技術(shù)發(fā)展的主要障礙之一。因此，研究和分析露天礦邊坡殘煤自燃誘發(fā)滑坡過程和規(guī)律，具有重要意義。

本文基于ANSYS軟件對某露天礦殘煤自燃采坑邊坡進(jìn)行模型簡化，并進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過分析確定其基本穩(wěn)定性，為此邊坡的后續(xù)治理提供了依據(jù)，同時對同地質(zhì)條件下露天礦殘煤自燃采坑邊坡的穩(wěn)定性分析提供參考。

1 殘煤自燃采坑邊坡概況

此露天礦坑巖質(zhì)高邊坡局部總高度達(dá)300m以上，現(xiàn)在已經(jīng)形成一個由若干個臺階組成的，坡角20°～40°的露天開采邊坡。根據(jù)該區(qū)地層出露分布情況和巖石組成特征，可分成三個工程地質(zhì)巖組，即（1）砂質(zhì)頁巖-砂巖-夾薄煤層（或炭質(zhì)頁巖）巖組；（2）煤層-粗砂巖-礫巖互層巖組；（3）斷層破碎帶巖組。

由于本露天礦的開采條件、設(shè)備和開采技術(shù)的限制，采空區(qū)遺煤較多，且多為淺部開采，易于和地表裂縫溝通，發(fā)火危險(xiǎn)突出。

本礦坑已經(jīng)測得有200余處發(fā)火點(diǎn)，主要發(fā)火點(diǎn)約有50處。從1953—2008年之間共發(fā)生了80次滑坡，其中，由殘煤自燃誘發(fā)達(dá)29次，占34%。

2 殘煤自燃采坑邊坡主要特征

此露天礦坑巖質(zhì)高邊坡巖體為順傾的層狀巖體，巖層傾向與邊坡傾向一致。構(gòu)成邊坡巖體的主要巖層為：砂質(zhì)頁巖、砂巖、頁巖、薄煤層及炭質(zhì)頁巖，弱層的主要成分為頁巖及炭質(zhì)頁巖，多分布在薄煤層的頂?shù)装濉?/p>

由于煤的自燃使地層內(nèi)出現(xiàn)空區(qū)，導(dǎo)致巖層的強(qiáng)度，彈性模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，使其巖層的承載力降低，造成巖層移動、斷裂，導(dǎo)致滑坡。

3 數(shù)值模型建立

基本原理

（1）對于穩(wěn)態(tài)熱傳遞，表示熱平衡的微分方程：

（2）相應(yīng)的有限元平衡方程：

式中：為傳到矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；為節(jié)點(diǎn)溫度向量；為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。

（3）參數(shù)及邊界條件：巖石熱膨脹系數(shù)取0.8e-5，導(dǎo)熱系數(shù)取0.75（W·（m·K）-1），煤層熱膨脹系數(shù)取5e-5，導(dǎo)熱系數(shù)取3.0（W·（m·K）-1）。孫家灣層、中間層和太平上層煤層燃燒溫度為1000℃，內(nèi)部溫度35℃，接觸空氣溫度為23℃。

根據(jù)此邊坡的變形破壞機(jī)制，其巖體在空間上分布具有較顯著的不均一性。基于ANSYS軟件，建立三維數(shù)值模型模擬邊坡的模型尺寸：高度350m，寬度為500m，長度為500m。巖體單元取為八節(jié)點(diǎn)六面體等參實(shí)體元（Plane82），采用理想彈塑性本構(gòu)模型及Drucker—Prager屈服準(zhǔn)則。

4 結(jié)語

由于中間層和太平上層煤層自燃，邊坡變形和破壞區(qū)域標(biāo)高為0-100m。現(xiàn)狀此巖質(zhì)高邊坡坡腳位移大，不能保證安全要求，須進(jìn)行治理。隨著殘煤自燃采坑邊坡露頭殘煤的燃燒，溫度場影響范圍相應(yīng)增大，進(jìn)而導(dǎo)致整個邊坡巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，內(nèi)部應(yīng)力場重新分布。隨著燃空區(qū)的增大，邊坡巖體的塑性破壞區(qū)域向邊坡深部發(fā)展。采坑邊坡裂紋也逐漸增多、連通，進(jìn)而導(dǎo)致位移增大，致使整個坡體出現(xiàn)破壞。

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